Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обзор и анализ использования альтернативных видов топлив в народном хозяйстве судана, постановка задачи исследования 13
1.1 Особенности сельского хозяйства Судана и его топливно-энергетической базы 13
1.2 Опыт получения и применения биогаза в Судане 15
1.3 Обзор и анализ альтернативных видов топлив 19
1.4. Газообразное топливо - альтернатива жидким моторным топливам 24
1.5 Биогаз - альтернативное топливо из биомассы 29
1.6 Особенности и опыт перевода дизелей на газ 38
1.7 Выводы по первой главе и задачи исследования 41
ГЛАВА II. Теоретические исследования использования биогаза в малогабаритных дизелях 43
2.1 Особенности и преимущества газдизельного процесса при работе дизеля на биогазе 43
2.2 Обоснование и уточнение математической модели расчета рабочего цикла при работе двигателя на биогазе 44
2.3 Уточненный расчет рабочего цикла дизеля работающего на биогазе 49
2.4 Определение состава заряда в цилиндре в конце впуска 55
2.5 Определение коэффициента наполнения 58
2.6 Определение теплоты сгорания свежей смеси 62
2.7 Анализ процесса сжатия смеси газов 63
2.8 Определение коэффициента избытка воздуха при впрыскивании жидкого топлива 64
2.9 Определение теплоты сгорания результирующей смеси 66
2.10 .Выводы по второй главе 69
ГЛАВА III Исследования работы малогабаритного двигателя на биогазе 70
3.1. Объект и методы исследований 70
3.2. Определение основных параметров 71
3.3. Адаптация дизеля для работы на биогазе 73
3.4 Методика и программа проведения экспериментальных исследований двигателя 73
3.5 Результаты экспериментальных исследований влияния состава биогаза на работу двигателя 79
3.6 Уточнение показателя политропы расширения при проведении расчетных исследований. 89
3.7 Сопоставление результатов расчета рабочего цикла двигателя, работающего на биогазе с результатами экспериментальных исследований 93
3.8 Выводы по третей главе 98
ГЛАВА IV. Технология производства биогаза для использования в качестве топлива 100
4.1 Процесс получения биогаза 100
4.2 Особенности технологии производства биогаза в Судане 106
4.3 Анализ и разработка биогазового реактора 108
4.4 Математическая модель работы биогазового реактора 110
4.5 Подготовка биогаза к использованию 114
4.6 Расчет процесса работы обогатителя биогаза для бытовых нужд 121
4.7 Обогащение биогаза 136
4.8 Сжатие биогаза 138
4.9 Выводы по четвертой главе 138
ГЛАВА V Обоснование эффективности использования биогаза в сельском хозяйстве республики судан 140
5.1 Особености сельскохозяйственного производства республики Судан 140
5.2 Состояние энергетики республики Судан 146
5.3. Переспектива использования продуктов биогазовой технологии в республике Судан 152
5.4 Оценка экономической эффективности применения биогаза в условиях Судана 158
5.5 Выводы по пятой главе 164
Общие выводы 166
- Газообразное топливо - альтернатива жидким моторным топливам
- Уточненный расчет рабочего цикла дизеля работающего на биогазе
- Результаты экспериментальных исследований влияния состава биогаза на работу двигателя
- Математическая модель работы биогазового реактора
Введение к работе
Истощение запасов нефти и традиционых энергоресурсов, рост цен на них и обострение экологических проблем обусловили глобальный интерес к разработке и использованию биогазовой технологии для получения механической, тепловой, электрической энергий и биоудобрений. Биогазовая технология может быть использована для переработки многих видов органических отходов, навоза, сточных вод, отходов сельскохозяйственных культур и производства, улучшая экологическую обстановку местости. Тот факт, что животные неполно усваивают энергию растительных кормов и более половины этой энергии уходит в виде навоза, позволяет рассматривать последний не только как ценное сырье для органических удобрений, но и как мощный возобновляемый источник энергии.
Одним из путей рациональной утилизации навоза и других органических отходов является их анаэробное сбраживание, что обеспечивает обезвреживание и сохранение их как органического удобрения при одновременном получении биогаза.
Одиным из перспективных видов альтернативного моторного топлива, производимого из местного биосырья, является биогаз, индустрия которого появилась за короткий промежуток времени во многих странах мира. Если в 1980-х годах в мире насчитывалось около 8 млн. установок для получения биогаза суммарной мощностью в 1,7 - 2 млрд. м3 в год, то в настоящее время данные показатели соответствуют производительности только одной страны - Китая.
Пионером в коммерческом использовании биогазовых заводов для получения биогаза является Дания. Суммарная годовая энергетическая мощность производителей биогаза Дании, получаемого из всех источников, в настоящее время составляет от 4 до 6-Ю15 Дж, а к 2008г планируется дальнейшее увеличение до 8-Ю15 Дж. В Дании эксплуатируется 18 биогазовых заводов, способных ежегодно обрабатывать 1,2 млн.т. биомассы (75% отходов животноводства и 25% - других органических отходов), давая до 45 млн. м биогаза, что эквивалентно 24 млн. м природного газа.
В США работают более десяти крупных биогазовых заводов, один из которых подает вырабатываемый биогаз в газораспределительную сеть Чикаго. В США получили широкое распространение установки для использования отходов на небольших скотоводческих фермах с поголовьем до 150 единиц крупного рогатого скота.
В фермерских хозяйствах Европы и Канады распространены установки производительностью до 100 - 200 м биогаза, что обеспечивает хозяйство тепловой энергией летом на 100%, а зимой - 30-50%. Большое количество биогаза производится также и при переработке твердых бытовых отходов городов: в США - 9 • 1015 Дж., Германии - 14 • 1015 Дж., Японии - 6 • 1015 Дж а в Швеции - 5 • 1015 Дж. [28,124].
В Китае эксплуатируется более 5 млн. семейных биогазовых реакторов, ежегодно производящих 1,3 млн. м биогаза, что обеспечивает газом для бытовых нужд свыше 35 млн. человек. Действует 24 000 биогазовых очистительных сооружений для обработки отходов городов; работает около 190 биогазовых электростанций с ежегодным производством 3-Ю9 Вт.ч. Биогазовая продукция Китая оценивается в 33-1015 Дж [26,41].
В Индии действует около 5-6 тыс. установок, дающих от 2 до 400 м3 биогаза в сутки. Национальная программа Индии по развитию биогазовых технологий включает в себя обеспечение чистой энергии для отопления и приготовления пищи, получение органических удобрений и повышение эффективности сельскохозяйственного производства.
В странах Африки, и в частноти в Судане нарастает объем использования биогаза для выработки электроэнергии и теплоты для приготовления пищи. Побочным эффектом от использования технологии получения биогаза для энергетики так же являются предотвращение наступления пустыни, защиты лесных ресурсов и снижения нефтяной зависимости [72, 86].
В процессе переработки органических отходов в биогазовых установках получают два основных продукта - биоудобрение и биогаз, которые можно использовать в сельскохозяйственном производстве и в быту.
Биогаз - это смесь из 50 - 80% метана СЕ,, 20 - 50% углекислого газа С02,1% сероводорода (H2S) и незначительных следов азота N2, кислорода 02, и водорода Н2, а так же продуктов метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения, осуществляемого специфическим природным биоценозом анаэробных бактерий различных физиологических групп. Энергия, заключенная в 1 м3 биогаза (20-25 МДж), эквивалентна энергии 0.6 м природного газа, 0.74 л нефти или 0.66 л дизельного топлива. Соотношение СЩ и С02 зависит от исходного субстрата и характеристики процесса брожения (температуры, времени пребывания массы в реакторе и загрузки его рабочего пространства). Теплотворная способность биогаза оставляет 22...29 МДж/ м и 1 м его эквивалентен 0,7-0,8 кг условного топлива. В результате брожения из 1 т органического вещества (по сухой массе) получается 350...600 М3 биогаза, при этом КПД превращения энергии органических веществ в биогазе 80...90%. [8,26,28].
Эффективность использования биогаза составляет 55% для газовых плит, и от 24% для двигателей внутреннего сгорания. Наиболее эффективный путь использования биогаза - это комбинация тепловой и электрической энергии, при которой можно достичь до 88% эффективного кпд, что является лучшим видом использования биогаза для крестьянских ферм и отдельных хозяйств [64].
По своему химическому составу, биогаз напоминает природный газ и может быть применен в автотракторных двигателях внутреннего сгорания. По данным Шведских и Швейцарских ученых, биогаз может использоваться в ДВС, так как по экологическим характеристикам биогаз на 75% чище дизельного топлива и на 50% чище бензина. Токсичность биогаза для человека на 60% ниже традиционного топлива. Продукты его сгорания практически не содержат канцерогенных веществ. Влияние отработавших газов двигателей, работающих на биогазе, на разрушение озонового слоя на 60 - 80% ниже, чем у нефтяных видов топлива [36].
Однако создание ДВС, работающих на газе с такой низкой теплотой сгорания как у биогаза, представляет определенные трудности. Они обусловлены необходимостью сохранения мощности и экономичности работы базового двигателя на эксплуатационных режимах, сохранения его надежности, обеспечения устойчивости на всех режимах, минимальных конструктивных доработок базового двигателя и т.д. В этой связи целесообразнее использовать не биогаз, а получаемый из него биометан. Для этого из биогаза удаляют СОг, водяной пар, сероводород и другие примеси. Очистка биогаза от двуокиси углерода (СОг) может производиться различными способами. К наиболее распространенным методам относятся: промывка газов через жидкие поглотители (например, воду), вымораживание, адсорбция при низких температурах, после чего полученный газ имеет практически однородный состав, содержащий 90...97 % СН4 с теплотой сгорания 35...40 МДж/м3. [19,28,78,87].
Переработанные в биогазовых реакторах органические отходы превращаются в ценные биоудобрения, которые содержат значительное количество питательных веществ, и могут быть использованы в качестве органических удобрений и кормовых добавок. Образующиеся при сбраживании гумусные материалы улучшают физические свойства почвы, а минеральные вещества, служат источником энергии и питанием для деятельности почвенных микроорганизмов, что способствует повышению усвоения питательных веществ растениями. Основное преимущество биоудобрения заключается в сохранении легко усваиваемой формы практически всего азота и других питательных веществ, содержащихся в исходном сырье [46,78].
Актуальность темы. Уровень развития сельскохозяйственного производства, являющегося основой экономики республика Судан отстает от роста потребностей населения из-за слабой энергетической базы, зависящей от нефтяного топлива, ввозимого из-за рубежа. Естественным выходом из создавшейся критической ситуации в Судане состоит в эффективном использовании биогазовой технологии получения, механической и электрической энергии, а так же биоудобрения.
Для данной технологии в Судане, обладающего огромным поголовьем крупного рогатого скота (до 140 млн.), благоприятным климатам со средней годовой температурой +27°С и достаточным количеством осадков на основной его территории, сложились оптимальные условия ее применения .
В этой связи оптимизация получения использования биогаза и органических удобрений на основе переработки отходов животноводства, птицеводства, растениеводства, пищевой промышленности и бытовых стоков, разработка прогрессивных биогазовых технологий с улучшенными оборудованиеми и энергетическими установками с ДВС, работающих на биогазе, является весьма актуальной проблемой и в частности для Судана.
Цель исследования - улучшение показателей технологии использования и утилизации биогаза из отходов сельскохозяйственных культур, животноводства и быта в механическую энергию и биоудобрения с учетом специфики республики Судан.
Объектами исследований являются технологический процесс получения, очитки, и утилизации биогаза из отходов сельскохозяйственных культур, животноводства и быта в механическую энергию и биоудобрения с учетом специфики Республики Судан.
Методы исследования Поставленная в диссертации цель исследования достигается с помощью теоретических и экспериментальных исследований на основе математического моделирования и анализа поведения объекта исследования, газодизельного двигателя и обогатителя биогаза, синтезируя требования к составу биогаза и методом управления технологическим процессом очистки и обогащения биогаза.
Обработка результатов экспериментов выполнялись с использованием программ расчетов на ПЭВМ. Выводы и рекомендации сформулированы на основе результатов аналитических и экспериментальных исследований биогазовой технологии и системы очистки и использования биогаза и малогабаритного дизельного двигателя работающего на биогазе.
Достоверность и обоснованность научных положений работы определяется:
использованием фундаментальных законов и уравнений термодинамики, механики, современных численных и аналитических методов реализации математических моделей, методов регрессионного анализа и планирования эксперимента.
- сравнительными исследованиями в лабораторных и натурных условиях работы газодизеля и макетных образцов реактора и обогатителя с использованием современных контрольно- измерительных приборов, разработанных средств регулирования состава биогаза, расчета и обработки данных на ПЭВМ.
Научная новизна работы заключается в следующих положениях, вносимых автором на защиту:
1.Уточнена математическая модель расчета работы дизеля на биогазе с различной концентрацией метана, и предложена методика его расчета 2.Разработана математическая модель расчета работы обогатителя биогаза и разработан алгоритм управления процессом очистки и обогащения биогаза до требуемой концентрации метана в биогазе.
3.Разработана с учетом специфики Судана улучшенная биогазовая технология получения и утилизации биогаза из бытовых, сельскохозяйственных отходов и отходов животноводства, в механическую, электрическую энергию и биоудобрения.
Практическую ценность исследования заключается в: 1.Обосновании базовой биогазовой технологии энергетики Судана, с улучшенными топливо-энергетическими показателями, обеспечивающей замещение импортного топлива для сельского хозяйства до 88% в переобрудованныых дизелях.
2. Разработке уточненного алгоритма и методики расчета дизельного двигателя на биогазе.
3.Разработке математической модели расчета и работы обогатителя биогаза, разработке алгоритма управления процессом очистки и обогащения биогаза до требуемой концентрации метана для бытовых нужд или ДВС. 4.Разработке технологической схемы системы и методики очистки биогаза в обогатителе, обеспечивающей возможность управления процессом очистки и обогащения биогаза для обеспечения хозяйства необходимой электроэнергией и биоудобрениями.
5.Представленные в диссертации материалы могут найти применение в научно-исследовательских, проектно-конструкторских организациях и также в организациях, занимающихся созданием биореакторов или энергетических средств сельскохозяйственного назначения, а также в сельскохозяйственном производстве Судана.
Реализации результатов работы: Уточненный алгоритм и программа расчета работы дизеля по газодизельному циклу на биогазе, а также программа расчета системы очистки и обогащения биогаза до требуемой концентрации метана и результаты исследований внедрены в ЗАО «Дизель КАР»
Апробация работы: Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на научно-практических конференциях кафедры Тракторы и Автомобили ФГОУ ВПО - МГАУ имени В.П. Горячкина с 2005 - 2007 г, и на заседании кафедры Тракторы и Автомобили ФГОУ ВПО - МГАУ имени В.П. Горячкина с участием профессорско-преподавательского состава кафедр "Тракторы и автомобили", "ЭМТП" и "Автомобильный транспорт" МГАУ имени В.П. Горячкина в 2007 г.
Публикации: По теме диссертации опубликованы 4 печатные работы (все 4- работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ) в которых отражены основные положения диссертации.
Структура и объем работы. Диссертация содержит 180 страниц машинописного текста, включая 36 рисунка, 47 таблиц и состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка литературы и приложений. Список использованной литературы включает в себя 145 наименования, из них 84 на иностранном языке.
Газообразное топливо - альтернатива жидким моторным топливам
В настоящее время наиболее приемлемым альтернативным топливом для двигателей внутреннего сгорания является природный и сжиженный газы, а в будущем биогаз. Этому свидетельствует тот факт, что эксплуатационные расходы ДВС при его работе на газе составляют около половины от расходов при эксплуатации на бензине [47].
По сравнению с углеводородным топливом (бензином) водородное топливо имеет ряд преимуществ, таких как: Высокая теплотворная способность (86 МДж/кг) в 2,8 раз больше чем у дизельного топлива, Меньшая энергия воспламенения, которая в 15 раз меньше, Максимальная скорость распространения фронта пламени в 8 раз больше. При использовании водорода как моторного топлива исключается возможность усиления парникового эффекта, так как не выделяются вредные вещества, в том числе и канцерогенные. В 1992г на испытательном полигоне General Motors (США), проводились соревнования городских транспортных средств имеющих различные системы питания. Из 63-х автомобилей, принимавших участие, лучшие результаты показал автомобиль фирмы Volkswagen, работавший на водороде. ОГ этого автомобиля были чище засасываемого в двигатель городского воздуха [81].
Результаты испытания автомобиля BMW 750 hL седан, работающего на водороде утверждают, что отработавшие газы представляют собой водяной пар. Фирмы Honda, Ford и Daimler Chrysler AG работают над собственной версией подобных машин [117]. Водород может быть использован как моторное топливо в ДВС или в топливных элементах для выработки электроэнергии [20,85].
Международное энергетическое агентство (МЭА) утверждает, что мировое потребление энергии в 2020г повысится на 65% больше по сравнению с 1995г. В странах-участниках организации экономического развития и содружества (ОЭСР), природный газ, в общем балансе первичных энергоносителей, составляет 20%. До 60% природного газа поставляется потребителям в промышленности и коммунально-бытовом секторе, а 40% идет на выработку электроэнергии. С увеличением населения Земли и развитием экономики, доля газа возрастет на 25% к 2020г. Ежегодно потребность в энергоносителях для транспорта будет возрастать на 2,5% и уже к 2020г достигнет 29%. Специалисты считают, что в настоящее время транспорт зависит на 99% от нефтепродуктов, и при сохранении этой тенденции до 2020г объем выбросов СО2 вырастет на 70%. [101,107].
Природный газ уже сегодня может обеспечить двигателям соответствие экологическим нормам "Евро-4". По Постановлению Госстандарта России от 01.04.1998 г. № 19, с 2001 г. двигатели автомобилей с полной массой менее 3,5 т должны соответствовать экологическим нормам ЕЭК ООН "Евро-2", а дизели для автомобилей полной массой более 3,5 т - нормам "Евро-3". Двигатель, работающий на природном газе, характеризуется очень низкой эмиссией реактивных углеводородов, СО и твердых частиц. В реальном процессе сгорания отработавшие газы содержат несгоревшие частицы или частично окисленное топливо, окись углерода (СО), окись серы, окись азота, двуокись азота (NO2) а также твердые частицы (РМ). Главным составляющим, загрязняющим окружающую среду, является несгоревший метан. Он появляется вследствие неправильной пропорции составляющих топливовоздушнои смеси и неполного перемешивания реагентов. Но эти отработавшие газы химически менее активны, чем газы, образующиеся при сгорании бензина или дизельного топлива, и поэтому незначительно загрязняют воздух.
Конвертированные двигатели, питающиеся природным газом, характеризуются более высоким коэффициентом полезного действия (КПД), чем двигатели, работающие на бензине. КПД двигателя, приспособленного к сгоранию бедной смеси близок к дизельному двигателю Двухтопливные двигатели, при малой мощности, работают на 90 - 100% дизельном топливе, а при высокой нагрузке порядка 80% на природном газе и 20% дизельном топливе [6,60,71,95,141].
Сжиженный нефтяной газ (СНГ или LPG (Liquefied Petroleum Gas)) представляет собой смесь пропан - бутановый газ нефтяного и природного газов и находится в жидком состоянии при температуре окружающей среды и давлении не ниже 1,4 МПа.
В настоящее время примерно 3.9 млн. автомобилей во всем Мире использует этот газ в качестве моторного топлива. Эмиссия от двигателей, питающихся СНГ, сравнима с эмиссией от двигателей, работающих на компримированном природном газе (КПГ или CNG). Пропан (СзН$), главный компонент СНГ более способен к реакции с озоном, чем метан (главный компонент природного газа), что способствует образованию смолы. Продукты сгорания СНГ, так и природного газа, содержат незначительные количества СО и твердые частицы (РМ (particulate matter)). Эмиссия NOx может быть значительно больше при сгорании СНГ, чем при сгорании бензина, однако можно её контролировать с помощью нейтрализаторов. В связи с этим, исследователи утверждают, что СНГ и КНГ более безопасны, чем бензин. СНГ применяется в газодизельных двигателях (в которых топливо смешается с засасываемым воздухом), работающих на двух топливах: LPG и дизельном топливе. [94,113].
По оценкам специалистов, к 2010 г. Россия будет испытывать дефицит нефтепродуктов в размере от 8 до 10 млн.т. Такая проблема актуальна и обосновывает работу по переводу сельскохозяйственных и автотракторных двигателей на альтернативные виды топлива. Анализ использования топливно-энергетических ресурсов в сельском хозяйстве показывает, что основной источник замены традиционных топлив - природный газ. Специалисты РАО "Газпром" и ВНИИгаз показывают, что использование сжиженного природного газа в качестве моторного топлива целесообразно [44,61].
Однако перевод сельскохозяйственной техники на СПГ затрудняется из-за отсутствия развитой технологии его получения и использования непосредственно на агропредприятиях и фермерских хозяйствах. Для решения этой проблемы Кириллов Н. Г. предлагает использование, разработанной им, Стирлинг-технологии [27].
Уточненный расчет рабочего цикла дизеля работающего на биогазе
Проведенный в предыдущей главе анализ применения альтернативных видов топлив, и в частности биогаза, выявил целесообразность организации в дизелях газодизельного рабочего процесса с внешним смесеобразованием по газу и внутренним по дизельному, запальному топливу.
Подобные процессы позволяют сэкономить до 85% дизельного топлива [16,23,34], резко снизить дымность отработавших газов, повысить моторесурс двигателя за счет снижения содержания в продуктах сгорания, твердых частиц, уменьшения или полного отсутствия разжижения масла топливом, попадающим на стенки камеры сгорания. При конвертации дизеля в газодизель ставятся следующие задачи: [33,39,68]. - получить такую же мощность, как и при работе на жидком топливе, при сохранении базовой конструкции двигателя. - обеспечить низкий уровень механических и термических напряжений эксплуатации. - обеспечить возможность перехода с одного вида топлива на другой в процессе работы двигатели при любой нагрузки.
Проведенные исследования показывают, что обогащение воздушного заряда на впуске дизеля способствует организация диффузионно-химического распространения пламени и в объеме камеры сгорания содействует подготовке химически активной среды, способной самостоятельно порождать новые активные центры. Повышение скорости распространения пламени благоприятно влияет на уменьшении догорания, снижение тепловых потерь, способствует увлечению индикаторного КПД. Правильные, высоко эффективная организация процесса сгорания в дизеле в значительной мере связана со смесеобразованием, предварительной подготовки смеси и более ранним, чем в обычном дизеле развитием предпламенного процесса. Непосредственное использование газообразных топлив в дизелях без дополнительной свечи зажигания возможно только при степени сжатия от є = 22 и выше, что обусловлено высокой температурой самовоспламенения этих топлив. Поэтому преимущественное распространение получили газодизели, в которых в конце такта сжатия газовоздущной смеси осуществляется впрыскивание запальной дозы дизельного топлива. При чем запальная доза зависит от особенностей газодизеля (его размерности, уровня форсирования, свойств газодизельного топлива) и может колебаться в широких пределах (от 5 до 50%).[16,17,21,22,27].
При конвертировании дизеля в газодизель требуется минимальное переоборудование двигателей, заключающиеся в установке газовоздущного смесителя во впускном трубопроводе с системой регулирования подачи газа, при изменении нагрузочного режима (качественное регулирование) и некоторой конструктивной модернизации регулятора подачи запальной дозы дизельного топлива.
В целях анализа и оценки эффективности протекания газодизельного процесса при выравнивании состава биогаза, а так же для обеспечения выработки требований к биогазу, как моторному топливу, а так же параметров рабочего процесса, была уточнена математическая модели рабочего цикла дизеля, работающего на биогазе. На первом этапе должны быть выбраны допущения для корректного моделирования рабочего цикля газодизеля.
В связи с особенностью процесса горения биогаза, необходим его оптимизация, которая возможно только на основе цифровой модели газодизельного цикла. В процессах расчета двигатель рассматривается как сложная термодинамическая система, состоящая из нескольких подсистем, которые обмениваются между собой и с окружающей средой теплотой, работой и массой. Пространство цилиндра рассматривается, в общем случае, как открытая термодинамическая система переменного объема. В процессах сжатия и расширения пространство цилиндра рассматривается как закрытая термодинамическая система [17,21,33].
При расчете рабочих процессов двигателя допускалось, что состояние рабочего тела в цилиндре полностью равновесное. В качестве рабочего тела во всех термодинамических расчетах процессов двигателя принимают идеальный газ. При нормальной работе двигателя (без детонации) соблюдается механическое равновесие (равенство давлений во всех зонах) в цилиндре, Так же принимается термическая и термодинамическая однородность рабочего тела, так как неоднородность не приводит к существенным отклонениям результатов от действительных.
Результаты экспериментальных исследований влияния состава биогаза на работу двигателя
Как следует из представленных данных, в зоне устойчивой работы двигателя увеличение концентрации метана в биогазе позволяет увеличить долю биогаза в подаваемом топливе и, следовательно, уменьшить количество подаваемого дизельного топлива. При увеличении концентрации в биогазе метана с 60 до 70 % доля замещаемого дизельного топлива уменьшается в среднем с 30 до 20 % , т.е. в 1,3 раза. Дальнейшее увеличение концентрации метана в биогазе приводит к меньшему эффекту по замещению дизельного топлива. Так при увеличении концентрации метана в биогазе с 75 до 85 % доля дизельного топлива снижается с 17 до 14 %, что в 3 раза меньше.
Отмеченное явление связано, вероятно, с особенностями воспламенения и сгорания запальной дозы дизельного топлива, когда ее значение не может быть снижено менее 10...15% при подаче только метана в дизель при газодизельном процессе.
Характер влияния частоты вращения и выдаваемой нагрузки дизелем не оказывает существенного влияния на долю замещаемого дизельного топлива. Все кривые для различных режимов работы укладываются в зону разброса данных в 5%.
На рисунке 5 отмечены зоны устойчивой и неустойчивой работы дизеля при подаче биогаза. Приведенные кривые являются предельными по максимальной доли биогаза в подаваемом топливе. 3.5.2 Влияние концентрации метана в биогазе на мощность двигателя
При увеличении концентрации метана СЩ в биогазе обеспечивается большее значение выходной мощности газодизеля (рис. 6). Наиболее ощутимо влияние концентрации метана на выходную мощность происходит при высоких нагрузках. По мере снижения нагрузки эффект повышения мощности в зависимости от концентрации метана снижается и при нагрузке менее 70% практически не наблюдается.
Так, на режиме максимальной нагрузки при частоте вращения 1380 мин"1 увеличение концентрации метана с 60 до 85 % приводит к увеличению максимальной мощности с 3,6 до 4,3 кВт (на 16%). На режиме нагрузки около 90% т.е от максимальной мощности при частоте вращения равной 1420 мин"1 увеличение концентрации метана с 60 до 85 % приводит к увеличению максимальной мощности от 3,5 до 3,8 кВт (на 8%), что в два раза меньше. А при нагрузке около 65% при частоте вращения 1500 мин"1 увеличение концентрации метана с 60 до 85 % приводит к увеличению мощности с 2,7 до 2,8 кВт т. е.(на 3,6%). При малых нагрузках изменение концентрации метана в биогазе не существенно влияет на эффективные показатели двигателя.
Одновременно при работе дизеля на дизельном топливе позволяет получить большую выходную мощности, чем при добавке биогаза с концентрацией метана до 85%. Как следует из рис. 7 работа на дизельном топливе во всей зоне рабочих режимов происходит с большей мощностью до 12,5%. Одной из причин может быть снижение наполнения цилиндра свежим зарядом из-за внесения изменений во впускную систему (установка смесителя) и замещения части воздуха на впуске подаваемым биогазом, что приводит к увеличению насосных потерь. эффективный КПД те. Эффективный КПД оценивает свойства машины преобразовывать тепловую энергию от сгорания топлива в механическую работу, отдаваемую потребителю. В отличие от удельного расхода топлива, КПД позволяет сравнивать эффективность работы двигателей на различных топливах.
На рис. 8 показано влияние концентрации метана в биогазе на эффективный КПД газодизеля при различных скоростных режимах работы. Как следует из представленных данных, увеличение концентрации метана в основном приводит к некоторому снижению КПД на высоких нагрузках и практическому его сохранению на низких.Так при полной нагрузке и частоте вращения 1380 мин 1 увеличение концентрации метана с 60 до 85 % приводит к уменьшению эффективного КПД с 41,2 до 35,4 % (на 5,8 %). На режиме нагрузки около 90% при частоте вращения 1420 мин 1 увеличение концентрации метана с 60 до 85 % приводит к снижению КПД с 40,1 до 36,7% (на 3,4 %). А при нагрузке около 15% при частоте вращения 1620 мин 1 увеличение концентрации метана с 60 до 85 % приводит уже к увеличению КПД с 15,6 до 16 % (на 0,4%).
Такое изменение КПД можно объяснить изменением мощности дизеля при изменении концентрации метана в биогазе (рис.6). Повышение эффективной мощности дизеля, как известно, связано с обогащением рабочей смеси и снижением индикаторного КПД. Максимальное значение эффективного КПД обеспечивается на высоких и средних нагрузках при частотах вращения менее 1500 мин"1, что хорошо видно нарис. 9
На рис. 9, приведены данные по эффективному КПД и удельному приведенному расходу топлива дизелем для условий его работы по дизельному и газодизельному циклам при различных концентрациях метана в биогазе.
На рис.9,а показано влияние нагрузки на изменение экономических показателей при работе только на дизельном топливе и при подаче биогаза с концентрацией метана 60%. Подача биогаза позволяет поднять максимальное значение КПД с 27 до 41 %. Эффективный удельный расход топлива при этом на дизельном топливе был ниже на 50 г/кВтч. Такое противоречие объясняется низкой теплотворностью биогаза при наличии в нем 40% негорючих газов (С02) и 60 % метана. Существенное увеличение КПД при использовании биогаза вместо дизельного топлива вероятно связано с существенным улучшением процесса смесеобразования, что характерно для малоразмерных дизелей с низким давлением впрыскивания.
На рис.9,6 показано влияние нагрузки на изменение экономических показателей при работе только на дизельном топливе и при подаче биогаза с концентрацией метана 72,8 %. Как и при 60 % метана, подача биогаза позволяет поднять максимальное значение КПД с 27 до 40 %. Удельный расход топлива при этом режиме выше, чем на дизельном топливе уже только на 7 г/кВтч, что подтверждает принятое объяснение по влиянию теплотворности топлива.
Математическая модель работы биогазового реактора
На выход биогаза влияют конструкция установки, загрузка рабочего пространства (количество и состава органической массы, приходящейся на единицу времени и единицу объема реактора), продолжительность цикла брожения (время пребывания закладываемой органической массы), температурные и климатические особенности местности, интенсивность перемешивания массы. (Приложение 5).
При непрерывном технологическом процессе наибольшая интенсивность разложения достигается, когда количество органического вещества, добавляемое в единицу времени к находящемуся в реакторе субстрату, соответствует количеству его, разложившемуся к данному моменту. При добавлении большего количества получается менее разложившийся субстрат и, следовательно, меньший выход газа, при добавлении меньшего количества рабочий объем реактора используется неэффективно. Если реактор работает в дискретном режиме, то при быстрой загрузке нарушается соотношение между количеством активных бактерий и массой питательных веществ, вследствие чего обмен веществ протекает неоптимально. Поэтому газа в единицу времени и на единицу массы вещества выделяется меньше. При тщательном перемешивании и незначительной вязкости субстрата наибольший выход газа соответствует загрузке реактора, приведенной в (табл. 29).
Загрузка реактора должна быть тем ниже, чем выше доля способных к разложению веществ в закладываемой органической массе и чем больше в ней аммиака.
Продолжительность нахождения органической массы в реакторе зависит от скорости реакции сбраживаемого материала, степени разложения, которая определяет выход газа и ослабление запаха перебродившей массы (шлама). С увеличением продолжительности брожения возрастает содержание метана СЩ в объеме вьщеляющегося газа и уменьшается содержание СОг, что улучшает качество газа. Универсальных рекомендаций для выбора оптимального времени пребывания массы в реакторе дать нельзя. Ориентировочные сведения приведены в (табл. 29). Значительное время пребывания в реакторе куриного помета обусловлено относительно высоким содержанием аммиака.
Данные таблицы справедливы для хорошо перемешанных субстратов в реакторах, работающих по проточному принципу. При интенсивном перемешивании содержимого реактора улучшается контакт бактерий с субстратом вследствие постоянного изменения ориентации и обновления граничных поверхностей отдельных фаз, а также затрудняется накапливание промежуточных и конечных продуктов процесса разложения. Перемешивание способствует высокой скорости реакции, равномерному распределению питательных веществ в объеме реактора, препятствует образованию осадка и плавающей корки.
Для получения биогаза в качестве биомассы, наряду с отходами растениеводства, могут с успехом использоваться экскременты сельскохозяйственных животных и сточных вод жилищных домов и многих других видов органических веществ. Автором проведен эксперимент по определению цельного выхода биогаза при оптимальных условиях брожения, характерных для республики Судан, для некоторых видов субстратов, а также определено процентное содержание метана. Эффективное производство биогаза возможно только в том случае, когда суммарная энергия газа будет значительно выше расходов энергии на его производство.
Рациональное использование отходов животных и сельскохозяйственных культур и др. путем их анаэробного сбраживания является эффективным способом обезвреживания жидкого навоза и сточных вод коммунального хозяйства и сохранения их как удобрения при одновременном получении локального энергоносителя в виде биогаза.
Технических вариантов реализации метаногенеза биомассы достаточно много, начиная с конструктивно простых установок и кончая технологически совершенными установками долговременного непрерывного действия с использованием прогрессивных и автоматизированных систем. Конструкции реакторов достаточно разнообразны и отличаются гидравлическим режимом [3,8,124,129].
На рис Л 6 представлена технологическая схема производства биогаза, разработанная автором в Судане. А также представлена схема биореактора предназначенного для переработки домашних сельских отходов, в том числе навоза домашних животных (рис. 17).(приложение 6).
Технологический процесс обработки субстратов осуществляется посредством подачи. Из животноводческого помещения или специальной системы домашней канализации и других 1 отходы поступают в приемную емкость 2, где можно предварительно перемешивать, и далее насосом или самотеком их загружают в биореактор 3. биогаз образующийся в процессе брожения, поступает в газгольдер 6 и далее к потребителю. Сброженные материалы, из отводной емкости 4 поступает в навозохранилище, а жидкая фракция на поля, а твердая выгружают в специальной емкость для дальнейщой обработки. Такая технологическая схема уже работает в некоторых поселках и семейных хозяйствах в Судане. Схема на рис. 30 разработана на базе этой схемы.
